Вентильный электродвигатель

(23)Приоритет до делам изобретений н открытий(53 ) УД К 62 1. 3 13, . 13,0 14.2,621.382 (088.8) Дата опубликования описания 15.07,80(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬИзобретение относится к электротехнике и может использоваться в регулируемом электроприводе.Известны вентильные электродвигатели, представляющие собой сочетание синхронной машины с вентильным коммутатором (вентильным коллектором), выполненным на основе инвертора тока или напрвкения 1 и 21.Недостатком таких. цвигателей являето ся сложность вентильного коллектора, связанная с необходимостью обеспечить искусственную коммутацию большого числа секций обмотки якоря.Наиболее близок к изобретению по тех 5 нической сущности вентильный электроцвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, каждая фаза которой состоит из двух одинаковых, но встречно соединенных частей, причем кажцая иэ частей соединена с зажимами цля подключения к источнику переменного тока через встречно-параллельно соециненные управляемые вентили 31. 2Недостатками вентильного двигателя являются узкий диапазон регулирования скорости, связанный с тем, что выходная частота вращения изменяется цискретно, и ниэнизкий коэффициент мощности. Цель изобретения - устранение указанных недостатков, т. е. расширение ди/апазона регулирования и повышение энер-гетических показателей.Указанная цель достигается тем, чтодвигатель снабжен дополнительно управляемыми вентилями,а кажцая иэ частейобмотки якоря снабжена отводами,подключенными через дополнительные встречно-параллельно соединенные вентили к тому же зажиму, к которому подключена данная часть,Каждая из упомянутых частей статорной обмотки может быть уложена на от дельном пакете статора и подключена к управляемым вентилям.Благодаря такому выполнению вентиль- ного двигателя в сочетании с опрецеленнымторной обмотки, напри 15 ненная из послеповасекций. Секции выпол- числами витков и улоКаждая часть ста мер часть 13, выпол тельно соепиненных иены с различными 3 74869 порядком переключений вентилей, формирование вращающегося магнитного поля и регулирование частоты его вращения осу ществляется не путем изменения частоты напряжения, поцаваемого на обмотку маши 5 ны, а путем переключения числа и полярности секций обмотки. Поатому комплект вентилей выполняет функцию не преобразователя частоты, а программногс коммутатора секггигг обмотки, чем цостигается 1 О расширение диапазона регулирования частоты вращения, упрощение силовой схемы и системьг уггравления. Периодическое подключение обмоток к источнику неизмененной частоты обуславливает-повышейие ко аффггциента мощности и постоянство его во всем диапазоне регулирования,На фиг. 1 изображена схема вентиль- ного цвигателяг на фиг, 2 - временные пггагрнммы намагничивающих сил трех фаз 2 О и их сумма при частоте вращения двигателя впвое меньшей частоты питания на фиг. 3 - пространственные цггаграммы вращающегося магнитного поля пвигателя при той же частоте вращения; на фиг, 4- 25 временные циаграмг г. г намагничивающих сил прп полуторакратной частоте вращеггия; на фггг", "гпространственные пиаграммы магнггтггого поля пвигателя при полутора- кратной частоте вращения; на фиг. 6 - 30 временггг.ге диаграммы намагничивагощих сил при половинной частоте вращения цля двигателя с полностьго управляемыми вентилями; па фиг. 7 - пространственные диаграммы магнитного поля при половинной 35 частоте вращения для двигателя с полностью управляемыми вентилями.К выхопггым клеммам А, В, С, О через встречно-параллельные неполностью управляемые вентггли-тиристорй пронумерован- ц ньге для фазы Л цифрами 1-12, поцключена трехфазная статорная обмотка. Каждая фаза обмотки выполнена из двух опинаковых частей (13 и 14) пля фазы Л, имеющих противоположную полярность относи 45 тельно ротора, т, е, обратную маркировку начала и конца. Полярность частей кажцой фазной обмотки показана на фиг, 1точкамгг, Части всех фазных обмоток оцной полЯРностиг напРимеР с точкой ввеР О ху, уложены на одном пакете активной стали статора, а части обмоток с пругой полярностью - на втором таком же пакете.7 4 иены на статоре как и в обычных асин-, хронных машинах,т.е. в вице распределенных по пазам катушек, так что каждая секция представляет собой простую двухполюсную обмотку с трапецеицальным рас- препелением чисел витков вдоль расточки статора. Позгому часть 13 фазы А можно рассматривать как исслеповательное соединение простых цвухполюсных обмоток, отличающихся только числами витков.Выводы секций (отвоы фазной обмот- ки) подключены к встречно-параллельным вентилям., т. е. к вентилям подключены различные числа витков фазной обмотки. На фиг, 1 к вентилям 1, 2 поцключено втрое меньшее число витков, а к вентилиг 3 4 вдвое меньшее число витков, чем к вентилям 5, 6 (число витков отсчитывается от нулевой точки).Рассмотрим работу двигателя, когда к клеммам Л,В,С,О подключено трехфазное симметричное синусоицальное напря- жение угловой частоты сц, а двигатель нагружен номиггальным моментом, Работа двигателя поясняется на фиг. 2, гце изображены друг под другом фазные намагни-. чивающие силы (и. с.) Фаз Л, В, С, и их сумма цля той точки воздушного зазора . машины, гпе числа витков фаз А, В, С соотносятся как 1:(-4/2 ): (-г 2). Части 13 и 14 обмотки фазы Л создают н. с. противоположного знака относительно ротора. Для нерегулируемого двигателя, когда вклгочены только вентили 5, 6, 7, 8, а остальные вентили заперты, эти н.с. фазы А изобоажены цвумя штрих-пунктирными синусоицальными линиями противоположной. полярности. Аналогичным образом, н. с, созпаваемые в нерегулируемом двигателе двумя частями обмотки фазы В, изобран;ены синусоицальными линиями "ти рз-иве точки", а фазы С - пунктирными линиями, Такими же лггггиями в отдельных местах намечены упвоенные значения н.с, фазные н,с, при регулировании цвигателя и их сумма (нижняя диаграмма) изображены сплошными линиями,Ииже рассгмотрено получение частоты вращениядвигателя вдвое меньшей частЬ. ты питания, Постоянная времени т перехопного процесса обмотки связана с козффициенгом мощности машины соотношением: 2 СОгв 4 г гце Т - период частоты питания. Нижесл дующее рассмотрение работы двигателя и построение диаграмм проведено цля при5 748697мера с/т= 0,1, чему соответствуетсоьЧ= чается одна треть виткой той же поляр= 0,846 =оу (учет изменениясоеЖ в ности, и н. с. возрастает. В моментпроцессе переключений не вносит принци включается еще. полное числопиальных отличий). витков второй полярности, и до конца поРассмотрение начинается для фазы А 5 лупериода переключений не происходит, Сс момента и 1 =Х/2, когда ток фазы А начала следующего полупериодаф.о 1= 77 Г/бпроходит через нуль, В полупериод Зс/2 с включается половинное число витков втоиЛ 3 Х/2 могут проводить нечетные рой полярности, и н. с. сразу устанавливентили. В интервале ЭС/2 ю 1 4 53 Фвклю- вается двойная. С моментаиА= 37/2 подчен только вентиль 7, и условно положи" кпючается еще,полное читало"ййтков пертельная н. с., созданная обмоткой 14, вой.полярности, а с моментаиА= 10 Х/6изменяется синусоидально. В момент однатреть витков первой полярности, Ки-фф = 53 фуправляющим сигналом отпира- моментуий= 1 Щ 6 сумма н, с. обеихется вентиль 3, подключая половину чис полярностей достигает нуля, после чегола витков обмотки 13, Н. с. противопо включается одна треть витков второй положного направления, созданная обмоткой лярности, и результирующая н. с, остает 13, начинает экспоненциально увеличивать- ся равной нулю (сумма двух равных ися с укаэанной постоянной времени, стре- противоположных ) до конца полупериода.мясь к удвоенному значению. Реэультиру Аналогичным образом происходят переющая (суммарная) н, с. обеих обмоток 20 ключения различных чисел витков противо 13 и 14 (сплошная линия) начинает; положной полярности фазы С, так что реуменьшаться и переходит в область от- зультирующая н. с, получает. вид, изобрицательных значений, В момент иА =Е ражейной сплмошной линией на третьей диотпирается вентиль 1, подключая к источ- аграмме.нику питания одну треть витктов обмотки 5 Суммарная н. с, трех фаз, изобра 13 и шунтируя остальную ее частьа Н. с. женная на четвертой диаграмме, имеетобмотки 13 ейе более увеличивается, частоту, вдвое меньшую частоты питания,стремясь к утроенному значению, и резуль- а пб Форье кривой приближается к синутирующая н, с., условйо отрицательная, соидетакже увеличивается до момзйтаиМ= 7 лфз 0 На фиг. 3 показано получение вращаюВ этот момент включается вентиль 9,щегося магнитного поля половинной чаопропуская ток в половину числа витков тоты в пространстве, Н, с., создаваемыеобмотки 14 и шунтируя остальные витки., фазными токами, имеют в функции от праРезультирующая н. с. начинает уменьшать странственной координаты Х трапецеидался, и до конца полупериода другие вентилиз 5 ную форму, как в обычных асинхронныхне включаются, двигателях, и изображены на фиг, 3 соответствующими линиями; штрих-пунктирныйС моментаиЛ= ЗХсмогут проводитьдля фазы А, линией " тире-две точки"только четныевентили. В интервале ЗЛ/24, для фазы В и пунктирной для фазы С. Мак-(ю 110 Фб включен вентиль 8, пос 40 симальные значения этих трапецеидальныхле чего отпирается вентиль 10, подклю н. о. равны их значениям на фиг. 2 длячая к питающему напряжению поЛовнну . фазы А и вдвое больше для фаз В и С.витков обмотки 14. В следующий момеунт Результирующие н. с. фаэ изображены наи 1 - 11(б отпирается вентиль 6, и рефиг. 3 сплошными линиями. Как видно зэультирующая н. с. начинает уменьшать фиг, 3, частота вращения результирующейся. До конца полупериода другие вентили н. с. и - при равномерном воздушном, зане включаются. зоре - магнитного поля машины действиВ следующие два полунериода частоты тельно вдвое меньше у 1 ловой частоты пипитания значения н. с. повторяются с об- тания,Ратным знакома т. е. поРЯдок подключе- Аналогичным образом можно показать50ний повтоРЯетсЯ с той Разницей, что вмео- получение и других скоростей вращения.то четного вентиля в каждой паре вклю На фиг, 4 показаны временные диаграммычается нечетный и наоборот.для той же точки воздушного зазора, чтоДля фазы В (следующая диаграмма) по- и фиг. 2, а на фиг, 5 - пространственпорядок переключений следующий. ДоЯные диаграммы, иллюстрирующие получеО=Ч/2 все вентили заперты, после. чего . ние частоты вращения магнитного полявключается половинное число витков од- машины, в полтора раза превышающей чаоиой полнрнооти. В моменти 1= 2 Й/ф апина тогу питания. Диаграммы фиг. 4 и о по7 748697 8 строены аналогично соответствующим ди- . но, что отличие формы кривой н. с. невеаграммам фиг. 2 и 3 при той же постоян- лико.ной времени обмотки и при переключениях Ф о р м у л а и з о б р е т е ни я через такой же интервалцй=фб. Вентильный. электродвигатель, соДвигатель может быть выполнен с 5 держащий ротор, статор с обмоткой якоря использованием запираемых вентилей : каждая фаза которой состоит из двух оди(например, запираемых тиристоров, тран- наковыи, но встречно соединенных частей, зисторов, у которых напряжение база = причем каждая из частей соединена с заколлектор изменяется синфазно с напряже- жимом для подключения к источнику перением эммитер-коллектор, и др,). При этом 0 менного тока через встречно-параллельно статор выполняется однопакетеым, асоединенные управляемые вентили, о ч- обмотка выполняется вышеописанным об- л и ч а ю щ и й а я тем, что, с целью разом, т. е. из двух одинаковых частей повышения энергетических показателей и протйвоположной полярности. Изменение расширения диапазона частот вращения, величин н. с. осуществляется переключе- ф двигатель снабжен дополнительно управляиием витков обмоток противоположной поляр- емыми вентилями, а каждая из частей обности путем, одновременного отпйрания од мотки якоря снабжена отводами, подключенних вентилей и запирания других. При ньми через дополнительные встречно-паиспользовании запираемых вентилейтрм раллельно соединенные вентили к тому буется меньшее их число и меньше отво- .М же зажиму;к которому подключена данная дов фазныи обмоток. На фиг. 6 показ- часть,: .,. -,-.нывременные диаграммы, а на фиг. 7 - ; ., Источники информации, пространственные диаграммы,иллюстри- принятые во внимайие при экспертизе рующйе получение половинной частоты ф . 1. Глебов И. А., Левин В, Н., Ровинвращения магнитного поля для двигателяский П. А. и Рябуха В, И, Вентильные с запираемыми вентилями, Двйгатель преобразователи в цепяи электрических имеет такую же постоянную временй, как машин, ЛфНаука, 197.1, с. 136-143. и двигатель фиг. 1, но один атводна по-2. Аракелян А, К Афанасьев А. А. ловину числа витков каждой полярности. и Чйликин М. Г. Вентильный электроприЧисло требуемых вентилей для такого З" вод с синироннымдвигателем и зависи двигателя равно 24, т. е, в 15 раза мым инвертором. И., фЭнергияф, 1977, меньше, чем для двигателя фиг. 1. Йз со- с. 5-23. "поставления диаграмм фиг, 6, 7 с соот. Патент СВА % 3991353, ветствующими диаграммами фиг, 2, 3 вид- кл. Н 02 Р 5/40, 1976,